基于Hyperworks的重卡氣室支架結構優(yōu)化設計研究

干慧

（合肥職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230012）

作為支撐氣室的主要零部件，氣室支架的性能需要跟隨重卡的發(fā)展要求進行強化，但若盲目的對氣室支架進行加厚加大設計，就會使得氣室支架變得笨重，不符合現(xiàn)如今的輕量化發(fā)展目標，使之失去市場競爭力，但若設計單薄，則會使得氣室支架因整體結構強度不足而存在斷裂的可能，在此背景下，本文立足于亟需解決重卡氣室支架輕量化和高性能的平衡這一現(xiàn)狀，根據(jù)發(fā)明問題解決理論（TRIZ），結合實際的工況問題，采用建模、分析軟件，對重卡氣室支架進行結構優(yōu)化設計，旨在獲得氣室支架結構的最優(yōu)解。

1 礦用重卡氣室支架現(xiàn)狀

為保障礦區(qū)重卡在惡劣路況下制動性能的可靠性，彈簧制動氣室的氣壓值由原先的0.8MPa提升至1MPa，其產(chǎn)生的推力大幅度增長，整車對氣室支架的強度有了更高標準的要求，故有必要對現(xiàn)有的氣室支架進行受力分析。現(xiàn)以某公司的一款氣室支架為研究對象，采用Hyperworks有限元分析對其進行受力分析，以確定該型號氣室支架的可優(yōu)化空間。

1.1 氣室支架概述

氣室支架的安裝示意圖如圖1所示，氣室支架主要用于連接氣室與橋殼總成，支撐安裝凸輪軸，配合調(diào)整臂完成制動作業(yè)，因此合理的氣室支架結構不僅能夠提高其自身的壽命，而且還能夠保障整車制動的平穩(wěn)性，但由于礦用重卡，運行的路面凹凸不平，需要頻繁的進行啟動制停，在此過程中氣室支架會因受到?jīng)_擊載荷而存在斷裂的風險，因此在對氣室支架展開輕量化設計時需充分考慮到其強度問題。

圖1 氣室支架的安裝示意圖

1.2 氣室支架模型的建立（優(yōu)化前）

依據(jù)氣室支架的結構尺寸，采用Inventor三維軟件構建氣室支架的立體模型，如圖2所示：

圖2 氣室支架（優(yōu)化前）

1.3 氣室支架材質參數(shù)

氣室支架的材質為QT400-10，材質參數(shù)如下表1所示：

表1 QT400-10材質的參數(shù)

1.4 受力情況

當重卡進行制動時，彈簧制動氣室會產(chǎn)生一個推力作用于氣室支架上，此推力為氣室支架主要承受的作用力，其余受力情況可以忽略不計，氣室支架匹配的橋型使用的是30/24規(guī)格的氣室總成，如圖3所示，在1MPa的氣壓下，氣室總成輸出的推力數(shù)值為19000N。

圖3 行程-推桿力特性曲線圖

1.5 受力分析

將氣室支架模型導入Hyperworks有限元分析軟件中進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，模型共產(chǎn)生了209475個節(jié)點和1036146個單元。對氣室支架的有限元模型進行約束和加載，如圖4所示：

圖4 氣室支架受力分析圖

1.6 結果分析

氣室支架的應力分布圖如圖5所示，其最大應力值260.9MPa主要位于氣室支架支撐面板過渡區(qū)，基本滿足重卡的使用需求，存在結構設計過剩的現(xiàn)象，需對其進行結構優(yōu)化。

圖5 氣室支架應力分布圖（優(yōu)化前）

2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化研究

2.1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論是將工程問題轉化為固定的問題形式，然后根據(jù)TRIZ問題模型選擇相應的求解工具，從而得到問題的解，它解決問題的流程如圖6所示：

圖6 TRIZ解決問題的流程圖

TRIZ理論總體上共有四個可解決問題的模型，即物理矛盾性問題的模型、技術矛盾性問題的模型、物場矛盾性問題的模型和知識力使用問題的模型。

物理矛盾問題是指對同一個參數(shù)的兩種不同要求,針對這類問題,它的主要解決途徑之一就是采用分離原理,即通過時間的分離、條件的分離、整體和組成部分之間的分離以及空間的分離等方式來解決具體問題。

技術矛盾問題在處理具體問題時會將其轉化為技術矛盾問題模型后，模型中包含著兩個相互矛盾和制約的參數(shù)，采用矛盾矩陣的方式找到相應的發(fā)明原理，以此提供解決思路。

物質場問題是兩種物質的一個場的結構信息是有問題的。針對有待解決的實際問題，首先建立問題的初始物質場模型，然后根據(jù)具體問題，在標準解系數(shù)中找到具體解決方案。

知識利用問題就是要靠尋找一種科學的方式以及原理來實現(xiàn)技術體系功能。

2.2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化方案

本項目采用TRIZ理論中的技術矛盾問題模型來解決氣室支架輕量化的設計問題。依據(jù)氣室支架強度/可靠性和重量矛盾的技術參數(shù)，在阿奇舒勒矛盾矩陣中查閱發(fā)明原理，得到了以下幾個改進方案：

在氣室支架受力較小的部位進行開槽；

在氣室支架應力集中的部位增加加強筋結構；

改進連接圓弧尺寸，降低應力值；

將氣室支架的材質由QT400-10改為QT450-10。根據(jù)上述改進方案，對氣室支架的結構以及材質進行改進，改進后的模型如圖7所示。

圖7 氣室支架（優(yōu)化后）

2.3 氣室支架優(yōu)化前后的性能對比

根據(jù)氣室支架的應力分布圖顯示，如圖8所示。優(yōu)化后的氣室支架的最大應力值為127.9MPa，安全系數(shù)3.52，相較于改進前的氣室支架其應力降低了51%，氣室支架的性能得到了明顯的提升，且氣室支架的重量也由原來的10.052kg降低到了8.098kg，實現(xiàn)了氣室支架的輕量化目標。

圖8 氣室支架應力分布圖（優(yōu)化后）

3 結語

本文以平衡氣室支架重量和質量為切入點，對氣室支架展開了優(yōu)化設計并得到了以下的結論：

（1）通過有限元分析，明確了現(xiàn)有的氣室支架剛度、強度基本能夠滿足重卡氣壓值提升所需的使用要求，存在可優(yōu)化空間。

（2）根據(jù)TRIZ技術矛盾問題模型，確定了氣室支架的優(yōu)化方案，并通過了有限元分析的驗證，優(yōu)化后的氣室支架相較于改進前性能提升了51%，重量降低了19.5%。